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力を加えても、その向きに物体が動かなければ理科の仕事は0です。
仕事の定義
力の向きと、動いた向きが 同じときに仕事をしたという。
10 N の力で 3 m 引っ張った
仕事 = 10 × 3 = 30 J（ジュール）
必要な力 = 重力 = 5 × 9.8 = 49 N（または 5 × 10 = 50 N と簡易計算）
仕事 = 49 × 2 = 98 J（または 50 × 2 = 100 J）
仕事をしない場合
- 力をかけても 動かないとき（壁を押し続けた）：仕事 = 0 J
- 動いていても 力をかけていないとき（慣性で動く）：仕事 = 0 J
- 力の向きと運動の向きが 垂直のとき：仕事 = 0 J（持ち上げた重い荷物を水平に運ぶ場合の重力の仕事）
仕事の原理 ── 道具を使っても仕事は同じ
10 N の物体を 2 m 持ち上げる：仕事 20 J
定滑車：10 N で 2 m 引く → 仕事 10×2 = 20 J（力の大きさは同じで、向きだけが変わる）
動滑車：5 N で 4 m 引く → 仕事 5×4 = 20 J（力は半分だが距離が2倍）
高さ 1m に物体を持ち上げる（重さ 100N）：直接 → 1m × 100N = 100J
斜面（長さ 2m）を使うと：力 50N × 距離 2m = 100J（同じ）
仕事率 ── 単位時間あたりの仕事
単位：W（ワット）= J/s。1W = 1秒間に1J の仕事。
100J の仕事を 10秒でやった → 仕事率 = 100/10 = 10W
同じ 100J を 5秒でやった → 20W（2倍のパワー）
100W の電球：1秒に 100J のエネルギーを消費
1000W のドライヤー：1秒に 1000J = 1kJ
仕事とエネルギーの関係
仕事をした分だけ、物体はエネルギーをもらった／失ったと考える。
単位は仕事と同じ J（ジュール）。
道具と仕事
| 道具 | 力 | 距離 | 仕事 |
|---|---|---|---|
| 直接持ち上げる | 1倍 | 1倍 | 同じ |
| 定滑車 | 1倍 | 1倍 | 同じ（向きが変わる） |
| 動滑車 1個 | 1/2倍 | 2倍 | 同じ |
| 動滑車 2個 | 1/4倍 | 4倍 | 同じ |
| 斜面（緩い） | 小さい | 長い | 同じ |
| てこ | 支点までの比で変わる | 逆比で変わる | 同じ |
仕事率の身近な例
LED 電球：5〜10W
冷蔵庫：100〜300W
テレビ：100〜200W
ドライヤー：1000〜1200W
電子レンジ：500〜1500W
エアコン：500〜2000W
→ kWh（キロワット時）：1kW × 1時間 = 3600kJ の電力量
人間の仕事率
普通の作業：50〜100W
早歩き：200〜300W
階段を駆け上がる：500〜800W
瞬間最大：1000〜2000W（短時間）
→ 人間1人 ≒ 「人力車エンジン」ぐらい
仕事の計算問題のコツ
- 力の単位を N（ニュートン）にそろえる
- 距離の単位を m（メートル）にそろえる
- 質量 → 重力 = 質量 × 9.8（または 10）N
- 持ち上げる仕事は、重力に逆らう仕事 = 重さ × 高さ
- 動いた距離は 力の向きに動いた距離
- 仕事 = 力 × 距離 だが、力の向きと動いた向きが同じであることが前提。
- 重いカバンを水平に運ぶ：重力（下向き）と運動（水平）が直角 → 重力は仕事をしていない。
- あくまで 力の向き方向の距離を使う。
- 動滑車や斜面では 力は小さくなるが 距離は長くなる。定滑車は力の向きを変える道具。
- 仕事の総量（力×距離）は 変わらない
- 「楽になる」のは力だけで、仕事量は変わらない
- これが エネルギー保存と関連
- J（ジュール）：仕事・エネルギーの単位
- W（ワット）：仕事率（パワー）の単位 = J/秒
- 1W は 1秒に 1J の仕事をする速さ
- 100W の電球は 1秒に 100J = 1分で 6000J = 6kJ
練習問題
- 20N の力で 5m 動かした → 仕事
- 50N の物体を 3m 持ち上げた → 仕事
- 100N の力で押したが動かなかった → 仕事
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(1) 100J (2) 150J (3) 0J（動かなかったから）
動滑車を使って 20N の物体を 1m 持ち上げる。手で引く力と引いた距離は。
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力 10N（半分）、距離 2m（2倍）。仕事は 20J で同じ。
- 200J の仕事を 5秒で → 仕事率
- 仕事率 50W で 10秒間動かした → 仕事
- 1500W のヒーターが 1分間にする仕事
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(1) 40W (2) 500J (3) 90000J = 90kJ
まとめ
- 仕事 [J] = 力 [N] × 距離 [m]。
- 動かないと仕事は 0J。力と運動が垂直でも 0J。
- 仕事の原理：道具を使っても 仕事の量は変わらない。
- 仕事率 [W] = 仕事 [J] ÷ 時間 [s]。
- 仕事とエネルギーは同じ単位（J）。